Строение материи

Учебное пособие содержит набор тестовых заданий по квантовой физике, физике атома, физике элементарных частиц и физике твердого тела. Кроме того, в нем изложен краткий теоретический материал, приведены примеры решения тестовых заданий. В пособии приведены также варианты тестов с ответами. Учебное пособие может быть использовано студентами и преподавателями в курсе общей физики и для контроля знаний студентов при промежуточной или итоговой аттестации.

Излагаются основы широко применяемых в настоящее время методов исследования структуры неупорядоченных, аморфных и наноматериалов, в том числе с использованием синхротронного излучения. Описаны теоретические основы методов и особенности их применения.

Предназначено для самостоятельного изучения студентами специалитета пятого модуля дисциплины «Физика». Рассмотрены квантовые свойства излучения и волновые свойства микрочастиц. С помощью уравнения Шредингера решены стационарные задачи квантовой механики. Приведены ядерная модель атома Резерфорда, постулаты Бора. В конце каждого раздела даны решения тематических задач и задания для самоконтроля.

Представлены оригинальные результаты исследований поляризационных и радиационных потерь энергии быстрыми многозарядными ионами в веществе. Обсуждаются корреляционные эффекты в черенковском и переходном излучении, вызванные процессами обмена зарядом между ионом и средой, в которой движется ион. Изложены вопросы статистической теории каналирования многозарядных ионов, а также поляризационные и динамические эффекты в рассеянии ускоренных частиц кристаллическими поверхностями.

Приведено описание экспериментальной установки, состоящей из падающего ударника и трубы с жидкостью, в которой генерируется ударная волна. Представлены результаты экспериментов по деформированию защемленных прямоугольных пластин под действием ударной волны. Получена зависимость смещения центральной точки пластины от кинетической энергии ударника. С использованием результатов анализа размерностей и метода сингулярного разложения на основе экспериментальных данных построены аналитические зависимости смещения центральной точки пластины от параметров ударного воздействия

Проведено экспериментальное и численное исследование конструкций, применяемых для защиты от поражающего действия пулевыми и осколочными элементами. Среди них особое место занимают разнесенные конструкции, в которых промежуток между слоями заполнен либо воздухом, либо различными легкими материалами с хорошими демпфирующими, диссипативными и теплофизическими свойствами. Результаты численного моделирования фрагмента разнесенной защиты хорошо соответствуют экспериментальным данным как по остаточным формам, так и по величине прогибов

На основании гипотезы Бейли о связи деформационного упрочнения с упругой энергией дефектов кристаллической решетки предлагается энергетическая модель сдвиговой прочности, учитывающая величину и скорость пластической деформации, а также разупрочнение, связанное с температурным отжигом и аннигиляцией дислокаций. Предполагается, что накопление упругой энергии дефектов определяется пластической работой, совершаемой при деформации. Предложенная модель вполне адекватно согласуется с имеющимися экспериментальными данными для меди до P = 70ГПа, для алюминия до P = 10ГПа, для тантала до P = 20ГПа

На примере алюминия рассмотрены варианты постановки экспериментов, в которых предварительно разрушенные образцы (опыты на откольное разрушение) в дальнейшем компактируются во второй серии ударных экспериментов. По результатам экспериментально-расчетного исследования и металлографического анализа сохраненных в опытах образцов определено значение давления компактирования алюминия, которое составило ≈2 ГПа

В статье теоретически исследованы эффекты влияния внешнего продольного электрического поля на оптические свойства квантовой проволоки с одномерной сверхрешеткой из потенциалов нулевого радиуса, которая моделирует регулярную цепочку D0-центров, расположенных вдоль оси квантовой проволоки. Показано, что с ростом величины внешнего электрического поля ширина примесной зоны увеличивается за счет увеличения степени перекрытия одноцентровых волновых функций. Найдено, что фотоионизационный спектр для квантовой проволоки с примесной зоной представляет собой отдельные полосы, промежутки между которыми заполнены осцилляциями, обусловленными интерференцией амплитуд вероятностей оптических переходов

Представлены результаты экспериментального исследования упруго- и вязкопластических свойств сплавов в рамках теории упругопластических процессов. Отмечается необходимость изучения сложного нагружения материалов, учета эволюции микроструктуры в процессе их деформирования, создания соответствующей теории эксперимента и построения адекватных определяющих соотношений

Предложен метод оценки величины энергии активации при определении коэффициента диффузии частиц-включений в сплошной упругой среде. Метод основан на гипотезе о равенстве энергии активации и потенциальной энергии взаимодействия частицы с упругой средой, в которой она оказалась. Эта энергия определяется методами нелокальной модели упругой среды, опирающейся на представление о парном потенциальном взаимодействии ее частиц. Потенциал взаимодействия известен.

В данном учебном пособии рассмотрены потенциальные и реальные экологические риски, возникающие при взаимодействии наноматериалов с окружающей средой. Анализ проведен на основании экспериментального изучения миграции и путей попадания наноматериалов в экосистему (атмосфера, гидросфера, литосфера), физико-химических свойств наноразмерных золей, а также исследований в области токсикологии и экотоксикологии наноматериалов при их взаимодействии с растениями, почвой, беспозвоночными и млекопитающими. Отдельное внимание уделено вопросам поступления, миграции и выведения наночастиц из организма человека. Сформулированы некоторые общие выводы и перечислены перспективные направления исследований в области экологии наноматериалов.

Даётся обобщённая формулировка условий критического состояния оболочек при действии внешних параметрически изменяющихся нагрузок. Критические состояния связываются с достижением траекторией нагружения характеристических линий. Траектория и характеристические линии задаются в пространстве коэффициентов дифференциального уравнения. К числу характеристических относятся линии раздела видов модуляций и линий уровней собственных длин волн, числа осцилляций и сдвига фазы, кратной -чётных и нечётных. Соответствующие критические нагрузки задачи Лоренца-Тимошенко, определённые таким образом, составляют долю 0.2, 0.29 и 0.68 от ранее определённой.

На основе термодинамического подхода к прочности и разрушению твёрдых тел рассмотрен расчётно-эмпирический метод прогнозирования скорости износа деталей при абразивном трении, который базируется на использовании термодинамического критерия разрушения материалов, а также относительной величины скрытой энергии. Представлена методика проведения экспериментальных исследований зависимости относительной величины скрытой энергии от условий процесса абразивного трения. Проведён анализ полученных результатов и сделаны соответствующие выводы.

Рассмотрены процессы упругой деформации тонких пленок при механическом нагружении. Пленка моделируется продольно сжатой пластиной, расположенной на упругом основании. Построена компьютерная модель потери устойчивости узкой тонкой пластины с участком отслоения, находящейся на упругом основании. Исследовано закритическое поведение системы пластина — подложка. Выполнены эксперименты по осевому сжатию металлической полосы, приклеенной к резиновой пластине, в которых получено от 2 до 7 форм потери устойчивости. Проведено сравнение полученных в численном расчете критических нагрузок и форм потери устойчивости с экспериментальными данными. Показана возможность прогрессирующего отслоения металлической пластины от основания при превышении критической нагрузки. Установлено, что при использовании предлагаемого подхода, в котором в отличие от других подходов учитывается упругая деформация подложки, возникает зависимость критических напряжений изгиба от жесткости основания.

В работе рассмотрена проблема отыскания эффективных характеристик в задаче о чистом кручении прямолинейного стержня. Задача сводится к определению функции напряжений при кручении, которая находится из решения краевой задачи в поперечном сечении для уравнения с частными производными с переменными коэффициентами. Для отыскания эффективных характеристик формулируются две специальные краевые задачи. Показано, что эффективные коэффициенты в случае кручения неоднородного по толщине слоя взаимно обратны. В двумерном случае задача решается методом конечных элементов. Рассмотрены случаи квадратного стержня с одним и несколькими включениями. Приведены зависимости эффективных характеристик от объемной доли включения.

Представлены результаты эксперимента по обжатию сферической медной ампулы при нагружении ее детонацией слоя пластического взрывчатого вещества. На ускорителе У-70 проведена радиографическая регистрация процесса схождения оболочки к центру, выполнен металлографический анализ сохраненной после опыта медной ампулы. Результаты протонографической многокадровой регистрации процесса схождения внутренней границы медной оболочки к центру сопоставлены с результатами численного моделирования.

Приведены результаты экспериментального исследования поведения сталей марок Ст.3, 20Х13 и 08Х18Н10Т в условиях статического и динамического нагружения. Изучено влияние скорости деформации и температуры на характеристики прочности и пластичности. На основе полученных данных определены параметры модели Джонсона — Кука, используемой в коммерческих пакетах программ для описания зависимости радиуса поверхности текучести от параметров нагружения. В серии специальных тестовых экспериментов проверена адекватность идентифицированной модели.

Приведены результаты серии лабораторных обращенных экспериментов по нормальному соударению сферических тел с преградами из влажного (влажность 10 %) и водонасыщенного (влажность 18–20 %) песка, помещенного в металлические цилиндрические контейнеры. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов на основе модифицированного разностного метода Годунова. Выполнен анализ изменения сил сопротивления прониканию на различных стадиях процесса ударного взаимодействия, изучено влияние влажности и гранулометрического состава песка на максимальные значения сил при различных скоростях соударения. Установлено, что для песка с влажностью, равной 20 %, максимальная сила сопротивления в 1,5–2 раза меньше, чем для сухого песка.

Монография включает рассмотрение всех основных физических свойств d- и f-переходных металлов и изложение соответствующих теоретических концепций. Подробно обсуждаются некоторые нетрадиционные вопросы: влияние особенностей плотности состояний на электронные свойства; многоэлектронное описание сильного коллективизированного магнетизма; механизмы магнитной анизотропии; микроскопическая теория аномальных кинетических явлений в ферромагнетиках. Помимо классических проблем физики твердого тела в применении к переходным металлам, рассмотрены современные достижения в теории электронных корреляций d- и f -систем в рамках многоэлектронных моделей.

В монографии рассмотрено состояние исследований в области электронного строения атомов. Предложен новый подход к исследованию внутриатомного строения, основанный на фундаментальном явлении поляризации атомов. Дается обоснование диполь-оболочечной модели, являющейся развитием оболочечной модели атома Бора. На основании данной модели предлагается объяснение периодичности атомов в таблице Д. И. Менделеева. Диполь-оболочечная модель атома принята для построения теории электронного строения вещества, в том числе в приложении к теоретическому обеспечению нанотехнологии.

Анализируется электронная структура и физические свойства сильно коррелированных систем (содержащих элементы с незаполненными 3d, 4d, 4f и 5f оболочками) на основе теории динамического среднего поля (DMFT). В настоящее время DMFT является универсальным и наиболее эффективным методом исследования состояний с сильными электронными корреляциями. В книге детально излагаются основы метода и даются его применения к различным классам таких систем.

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре теоретической и прикладной механики факультета прикладной математики, информатики и механики Воронежского государственного университета

Монография посвящена обзору исследований влияния эффектов электронного беспорядка на электрон-фононное взаимодействие в металлах, сверхпроводниках, полупроводниках, а также в различных низкоразмерных структурах. Актуальность поднятых в монографии вопросов определяется интенсивным развитием нанотехнологий, созданием новых наноструктурированных материалов и уникальных наноэлементов для электроники и фотоники. Упругое электронное рассеяние на границах наноструктур качественно меняет взаимодействие электронов с фононами, что, безусловно, должно учитываться при проектировании соответствующей элементной базы. Прикладная часть работы посвящена контролируемой модификации электронных процессов для оптимизации новых наносенсоров на основе электронного разогрева в сверхпроводниковых и полупроводниковых структурах.

Цель исследования: теоретическое исследование влияния обменного взаимодействия, связанного с изменением пространственной конфигурации молекулярного иона A[2]{+} в объеме сферически-симметричной квантовой точки, на термы и энергетический спектр A[2]{+}-центра. Численный анализ полученных дисперсионных уравнений проведен для случая квантовой точки на основе InSb. Для расчета энергетического спектра A[2]{+}-центра в квантовой точке, описываемой в рамках модели "жестких" стенок, использовался метод потенциала нулевого радиуса и приближение эффективной массы. Исследовано влияние обменного взаимодействия, инициированного изменением пространственной конфигурации A[2]{+}-центра в объеме квантовой точки, на положение g- и u-термов примесного молекулярного иона. Показано, что с ростом обменного взаимодействия возрастает величина расщепления между термами и заметно изменяется энергия связи g- и u-состояний A[2]{+}-центра. Обменное взаимодействие между A[2]{+}-центрами в молекулярном ионе A[2]{+} может приводить к существенной модификации g и u-термов A[2]{+}-центра и, как следствие, к изменению положения пика фотолюминесценции, связанного с излучательным переходом фотовозбужденного электрона в g-состояние A[2]{+}-центра.

В рамках модели потенциала нулевого радиуса теоретически исследованы D{-}-состояния в квантовом сужении при наличии внешних, продольных относительно оси сужения, электрического и магнитного полей. Получено дисперсионное уравнение электрона, локализованного на D{-}-центре, и исследована зависимость энергии связи D{-}-состояния от эффективной длины сужения, координат примеси и величины приложенных электрического и магнитного полей. Показано, что особенность геометрического конфайнмента квантового сужения проявляется в существенной зависимости энергии связи D{-}-состояния от эффективной длины сужения. Выявлен эффект магнитного вымораживания D{-}-состояния в квантовом сужении.

В модели потенциала нулевого радиуса теоретически исследовано влияние внешнего электрического поля на спектры фотоионизации D{-}-центра с резонансным примесным уровнем в квантовой молекуле в условиях диссипативного туннелирования. Показано, что квантово-размерный эффект Штарка проявляется в красном смещении порога фотоионизации, а также в увеличении силы осциллятора дипольного оптического перехода. Исследован дихроизм примесного электрооптического поглощения, связанный с изменением правил отбора для осцилляторных квантовых чисел. Выявлена высокая чувствительность фотоионизационных спектров к параметрам диссипативного туннелирования.

Методом потенциала нулевого радиуса в приближении эффективной массы исследована эволюция термов примесного молекулярного иона D{-}[2] в квантовой точке с параболическим потенциалом конфайнмента с изменением внешних электрического и магнитного полей. Показано, что внешнее магнитное поле стабилизирует D{-}[2] -состояние, а внешнее электрическое поле инициирует вырождение термов D{-}[2] - центра в квантовой точке.

Исследованы морфология поверхности, кристаллическая структура, электрофизические свойства (удельная электропроводность, концентрация и подвижность носителей заряда) и зависимость работы выхода сверхтонких (=8 нм) пленок Hf[x]Si[1-x] и Ni[x]Si[1-x], сформированных методом импульсного лазерного осаждения (ИЛО) на подложках SiO[2]/Si и HfO[2] + SiO[2]/Si, от состава пленок x. Электронографические исследования показали, что сформированные пленки являются аморфными. Шероховатость поверхности пленок составила для Ni[x]Si[1-x] и Hf[x]Si[1-x]0, 23+[-]0, 05 нм и 0, 49+х[-]0, 5 нм, соответственно, и не зависела от x. Работа выхода в слоях Ni[x]Si[1-x] и Hf[x]Si[1-x] варьировалась в пределах 4, 9-5, 0 эВ и 4, 3-4, 8 эВ, соответственно, в зависимости от x. Удельное сопротивление пленок Hf[x]Si[1-x] и Ni[x]Si[1-x] изменяется в пределах (4Х10{-5}) - (2Х10{-3}) Ом {. } см и (5Х10{-6}) - (3Х10{-5}) Ом {. } см, соответственно, в зависимости от x.

В монографии обобщены результаты, полученные при воздействии концентрированных потоков энергии на конструкционные и инструментальные стали, композиционные материалы и твердые сплавы. Приведены данные об использовании концентрированных потоков энергии в промышленности. Особое внимание уделено систематическому исследованию структурно-фазового состава композиционных покрытий на основе быстрорежущей стали, полученных в условиях вакуумной электронно-лучевой наплавки.

Рассказывается о постройке международного экспериментального реактора управляемого термоядерного синтеза.

Содержание монографии относится к актуальному научному направлению, находящемуся на стыке квантовой теории поля, физики элементарных частиц, физики плазмы, физики сверхсильных магнитных полей и астрофизики. Представлено систематическое изложение методов расчетов электрослабых процессов, как древесных, так и петлевых, во внешней активной среде сверхсильном электромагнитном ноле и горячей плотной плазме. Работа выполнена в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и пауки РФ "Развитие научного потенциала высшей школы (2009 2010 годы)" (проект № 2.1.1/510) и Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 2013 годы (Госконтракт № П2323).

Учебник написан на основе курса лекций, который автор читает в течение многих лет магистрантам физико-технического факультета НГТУ. Книга состоит из трех частей, посвященных теории прохождения частиц через вещество, приборам для регистрации частиц и методам обработки экспериментов. Значительная доля материала по приборам основана на новых работах, опубликованных в журналах и еще не вошедших в монографии.

Монография посвящена развитию методов симметрийного (группового) анализа дифференциальных уравнений и их применению к исследованию уравнений механики сплошной среды. С помощью метода A-операторов найдены новые законы сохранения для уравнений газовой динамики. Приведен новый алгоритм групповой классификации системы дифференциальных уравнений; его эффективность и преимущества показаны на примерах уравнений газовой динамики и уравнений нелинейных продольных колебаний вязкоупругого стержня в модели Кельвина. Выполнена групповая классификация систем линейных дифференциальных уравнений первого порядка с двумя неизвестными функциями двух переменных. Решена проблема х-автономности и линейной автономности основной алгебры Ли системы линейных дифференциальных уравнений первого порядка; результаты для х-автономности переносятся на квазилинейную систему. Получены структурные теоремы о контактных и точечных преобразованиях, о законах сохранения для квазилинейных дифференциальных уравнений второго порядка. Исследованы обладающие максимальной симметрией обобщенное уравнение Дарбу и уравнение Овсянникова, описывающие установившиеся колебания в непрерывно-неоднородных средах. Проведен симметрийный анализ уравнений Ламе классической динамической и статической теории упругости, уравнения, описывающего нелинейные продольные колебания вязкоупругого стержня в модели Кельвина, уравнений движения несжимаемой вязкой теплопроводной жидкости с согласованными аномальными зависимостями коэффициента вязкости и коэффициента удельной теплоемкости от температуры. Найдены все эволюционные симметрические t-гиперболические по Фридрихсу системы, равносильные системам двумерных и трехмерных волновых уравнений. Получены новые подмодели газовой динамики: инвариантные, частично инвариантные, дифференциально-инвариантные; исследован их физический смысл.